大跨體育場館的抗震鑒定、加固研究與實踐

張勝

引言

地震、颶風和海嘯是人類面臨的最嚴重的自然災害，其中地震造成的危害最為嚴重。地震帶來最直接的嚴重后果是房屋倒塌，人員傷亡以及相關的直接經濟損失。我國的抗震事業近年來取得了顯著的進步，新建建筑均考慮了抗震設防，但是仍然有一部分建筑由于建設年代較為久遠，在建造時未考慮抗震設防，或雖考慮抗震設防但是抗震等級較低。同時，大型體育場館作為城市或地區的大型公共場館，在發生較大災害時能夠成為應急避難場所。如綿陽九洲體育館（圖1）由于具有科學合理的抗震性能設計及高質量的建設，在2008年5月12日汶川大地震中安然無恙，直到地震臨時用房建成之前，九洲體育館一直作為最大的抗震指揮和災民安置中心，為抗震救災做出了巨大的貢獻。因此，有必要對未考慮抗震設防或雖考慮抗震設防但是不滿足抗震設防要求的體育場館進行抗震性能鑒定，并進行加固處理，從而提高結構的抗震性能，減輕地震破壞，減少人員傷亡和財產損失。

大跨度體育場館的抗震性能鑒定

（一）需要進行抗震鑒定的情況

《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023—2009）明確規定，下列情況下，現有建筑應進行抗震鑒定：

1.接近或超過設計使用年限需要繼續使用的建筑。

2.原設計未考慮抗震設防或抗震設防要求提高的建筑。

圖1 災后的綿陽九洲體育館

3.需要改變結構的用途和使用環境的建筑。

4.其他有必要進行抗震鑒定的建筑。

在實際工作過程中上述情況經常遇見，例如工人體育館始建于1959年，1961年竣工，采用鋼筋混凝土框架結構，屋蓋采用輪輻式懸索結構，為了滿足2008年奧運會的比賽要求，在2005年對其進行了抗震性能鑒定，并進行了整體加固；首都體育館于1968年竣工使用，結構類型為混凝土框架結構，屋蓋結構為平板型雙向空間鋼網架，同樣為了滿足2008年奧運會的比賽要求，也進行了抗震性能鑒定和整體加固；青島國信體育中心體育場建成于1998年，結構類型為混凝土框架結構，看臺上罩棚采用新型的整體張拉式索膜結構，為了提升體育場的使用功能，滿足亞足聯和國際足聯對足球比賽場地的要求，需要對結構進行整體改造，也對結構進行了整體抗震性能鑒定。

（二）結構檢測及抗震性能鑒定

1.現場踏勘

現場踏勘是開展結構檢測工作的先決條件。通過現場踏勘，可以了解建筑的現場狀況、使用環境以及建筑場地類別等，此外在現場踏勘過程中查閱圖紙資料可以獲取建筑物最基本的建造信息，如設計施工單位、建造年代、抗震設防類別以及使用過程中的功能改變或結構改造等。

現場踏勘一般需要對建筑整體進行宏觀檢查，查看地基基礎和建筑物周邊場地現狀；宏觀檢查建筑不均勻沉降或傾斜現象；檢查混凝土構件的表面裂縫和鋼筋銹蝕；檢查鋼結構構件的銹蝕和變形；檢查膜結構的變形和破損等。

根據現場踏勘結果，并依據相關的規范和規程，制訂詳細的檢測鑒定方案，從而在檢測過程中做到有的放矢。

2.現場檢測

現場檢測主要是針對主體結構的體系布置、混凝土強度、鋼筋配置、構件截面尺寸、構件的變形、鋼筋銹蝕、鋼結構焊縫質量、結構動力特性、鋼索內力以及抗震構造措施等內容。為了保證不對原結構造成損傷，現場檢測基本采用無損檢測方法，局部對混凝土構件進行鉆芯或剔鑿鋼筋，對結構造成的損傷可以忽略。

主體結構的體系布置主要是通過現場核對圖紙資料進行檢查。由于一些體育場館建造年代比較久遠或使用過程中進行了改造，圖紙資料不全或缺少竣工圖紙，現場結構和圖紙資料可能會出現差別，需要進行現場測繪，并對周邊構件進行重點檢測，檢測數量應適當增加。

混凝土強度一般采用回彈法進行檢測，并鉆取一定數量的芯樣對回彈值進行修正。鋼筋配置檢測一般采用電磁感應法，并局部剔鑿驗證鋼筋直徑。其他常規檢測基本不會對主體結構造成損害。

由于多數大跨體育場館結構復雜，對其進行現場動力特性測試能夠更加全面地分析結構的抗震性能，保證結構分析結果的可靠性。結構動力特性測試一般采用環境激勵測試結構的各階振型及其對應的頻率，也可以采用人工激勵的方式進行測試，例如首都體育館在檢測過程中就對有代表性的一榀框架的水平振動和垂直振動進行檢測，激勵方式為環境激勵；青島國信體育中心體育場采用慣性式激振器進行激勵。由于現場檢測時多數建筑處于正常使用狀態，實際結構的許多附屬物如填充墻、管道設備以及上部屋蓋等均會對測試結果造成一定影響，在測試過程中盡量選取附屬物較少的區域。

鋼結構屋蓋是大跨體育場館廣泛采用的屋蓋形式，鋼索是鋼結構屋蓋中常見的結構構件。在荷載長期作用下，由于材料蠕變效應，拉索將產生松弛，拉索應力發生變化。因此，應對屋蓋中的鋼拉索構件進行索力檢測。目前常用的索力測量方法有壓力表測定法、壓力傳感器法、頻率測試法、面外變形推算法、應變測試法和磁通量法等，其中壓力表測定法、壓力傳感器法一般在施工過程中應用較多，磁通量法要求在張拉之前安裝磁通量傳感器，不適合既有在役拉索的檢測，目前對現有結構中鋼拉索的檢測一般采用頻率測試法和面外變形推算法，例如工人體育館和青島國信體育中心體育場均采用頻率測試法進行索力測試。

抗震構造措施檢測主要是對縱向鋼筋的錨固長度、配筋率、箍筋間距、箍筋直徑、填充墻拉接鋼筋、柱軸壓比等內容進行檢查核對。

3.結構抗震性能鑒定

結構抗震性能鑒定要根據建筑的后續使用年限采用相應的抗震鑒定方法，后續使用年限30年的建筑（A類建筑）應進行綜合抗震能力兩級鑒定；后續使用年限40年的建筑（B類建筑）應進行抗震措施鑒定和抗震承載力驗算，對于后續使用年限為40年的重點設防類框架結構，還需要進行變形驗算。在抗震承載力驗算過程中要根據抗震構造措施的符合程度和部位計入構造的影響。根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223）相關規定，大型、觀眾席容量很多的中型體育場和體育館（含游泳館），抗震設防類別應劃為重點設防類，因此對于多數后續使用年限40年的大跨體育場館均需要進行變形驗算。

大跨度體育場館抗震加固

（一）國外體育場館加固

在防震減災方面，日本政府將學校建筑與避難場所相結合，其中公立學校約90%有避難場所功能。

1995年阪神大地震后，日本推出“校舍補強計劃”，對中小學校舍及體育館等進行了大規模的抗震加固。抗震加固的主要特點是從整體抗震性能出發，找出最薄弱環節，對薄弱環節進行重點抗震加固。例如采用增加斜向鋼支撐、屋蓋水平拉結措施來增加建筑物強度，采用柱子外包鋼或增大截面等來控制構件變形。

美國夏威夷的Aloha體育館建于20世紀70年代，按照1970年UBC（Uniform Building Code）規范設計，不滿足2006 IBC（International Building Code）規范抗震和抗風的要求。節點出現屈服現象，部分油漆脫落。主要抗震加固措施為將體育館外墻的填充墻改為鋼板剪力墻以增加結構的抗側剛度，并在與墻相連接的徑向鋼梁的連接節點上增加梁腋板以提高節點的抗震能力，保證結構的安全性能。

（二）我國體育場館加固

新中國成立前的我國體育建筑主要為砌體結構，規模較小，承重形式單一，未考慮抗震設防。新中國成立后主要為鋼筋混凝土框架結構主體與鋼結構屋架相結合。20世紀80年代以前的建筑物多未考慮抗震設防，構件的配筋以及節點連接難以滿足現行相關規范要求。在既有大跨體育建筑的抗震加固中，有以下兩種主要的加固方式：

1.增加結構的抗震承載力

對于設防烈度較低的地區，抗震加固主要表現在抗震構造措施的加固。例如武漢體育館建造于20世紀50年代，原設計為混合結構，混凝土強度等級低，原主體結構損壞明顯。抗震加固改造中，采用了鋼筋網砂漿面層加固墻體、外包鋼加固混凝土梁和碳纖維布加固混凝土樓板等措施，提高了整體建筑的抗震承載力。

對于抗震設防烈度大于7度的地區，往往采用綜合加固方法進行方案設計。比如首都體育館除去增設阻尼器外，還通過增加剪力墻改變原結構的傳力路徑，形成多道抗震防線。

2.減少結構的地震作用

由于大跨度體育場館的屋蓋通常采用鋼結構，鋼結構在形成體系后不宜進行焊接，所以對于大跨度鋼結構進行加固的難度較大，成本也較高，通過增設隔震、減震裝置，或者設置新的耗能減震裝置，減少地震作用對原結構的地震作用，同時不加固屋蓋結構就能滿足整體抗震要求。耗能減震是既有大跨度體育館建筑抗震加固的新思路。

五臺山體育館在框架部分增設黏滯阻尼器與耗能支撐來進行減震設計，使結構在罕遇地震作用下，頂點位移和層間位移得到有效控制。同原結構相比，結構頂點位移平均降幅為54%，層間位移平均降幅達69%，極大彌補了原結構延性較差的不足。

奧林匹克中心體育場建于1989年，進行抗震加固時根據建筑功能的要求，對稱地在一、二層框架部分每層的12個位置設置了消能裝置。設置黏滯阻尼器后，框架結構地震剪力平均減少了20%～25%。

大跨度體育場館抗震加固實踐

2003年北京市科學技術委員會的課題“奧運場館加固、改造關鍵技術研究”針對北京現有體育場館結構現狀，在原設計成果的基礎上，借鑒減震的主動防災技術，形成了有效的加固技術，在北京工人體育場、首都體育館、奧體中心等場館的改造工程中得到應用，取得良好的效果。

原建筑始建于1989年，結構設計主要依據我國74～78的老規范。為了滿足奧運會新的功能使用要求，體育場的改擴建工作量很大，整體結構的造型也同時發生了很大的變化。東西看臺基本保留原三層混凝土框架結構體系，在C～D軸之間原結構二層增加了鋼結構樓座看臺及四層鋼結構房屋，拆除原看臺網架罩棚，新建了外挑約23～38米的型鋼-拉索鋼罩棚（圖2）。整體結構高度由原25.8m增至38.9m。南北看臺僅保留原外圈柱及部分梁、板，大部分均為新建結構，拆除原池座看臺，加寬了看臺寬度，整體結構高度增加至13.8m。為解決新建樓座看臺觀眾疏散需要，于體育場角部新建了四個獨立的圓形坡道。改造前后照片見圖3、圖4。

對東西看臺采用多種模型計算對比分析，由于豎向荷載的增加及水平地震力的作用，幾乎80%的原混凝土柱均受力鋼筋配筋不足，需采用粘鋼或增大截面植筋的方法進行加固。為了減小整體結構的地震響應，降低原混凝土結構的加固量，采用了加裝12個耗能支撐的加固方案，在普通的“人”字支撐系統中增設黏滯阻尼器（圖5、圖6）。結構下部變為雙重抗側力體系，這種新型加固方法可以有效地降低整體結構的地震響應，減小構件由地震產生的內力和變形，從而使原混凝土結構的改造加固量降低，而且也降低了新增鋼框架結構構件的內力和變形，結構整體側移剛度增強，使整體結構的地震安全性有顯著提高，是一種較為經濟、有效的新型加固手段。

圖2 奧體中心體育場改造前后剖面圖

圖3 奧體中心體育場改造前

圖4 奧體中心體育場改造后

圖5 耗能鋼支撐設計圖

圖6 奧體中心體育場徑向“人”字形耗能支撐現場照片